重载铁路道岔区钢轨接头轨腰裂纹伤损整治

尹段泉

国能朔黄铁路发展有限公司，河北 肃宁 062350

朔黄铁路年通过总质量逐年攀升，已突破3.4亿t，列车荷载作用对钢轨接头的冲击不断加剧，钢轨疲劳和伤损的发展速率也随之加快［1-4］。2021年，朔黄铁路肃宁分公司管内通过小型探伤仪共发现钢轨重伤430处，其中占比最高的是轨腰裂纹（147处）。轨腰部位伤损多发会增加线路养护临时要点上线的次数，给作业人员人身安全带来极大隐患。为了保证钢轨使用和列车运行安全，减少人员临时上线的频率，有必要对轨腰部位伤损原因进行分析，探讨整治措施。

1 检测试验

从2021年检出的伤损钢轨中抽取1件轨腰裂纹钢轨进行分析。该钢轨为朔黄铁路定州东站内6号道岔直尖轨后的连接轨，于2021年11月3日上线，采用冻结夹板进行联结。2021年11月9日钢轨探伤检测时发现轨端存在裂纹，当天将该段钢轨下线。裂纹从轨端裂至第一螺栓孔，朝第二螺栓孔方向无裂纹。该钢轨为2021年2月攀钢生产的75N轨，材质为U78CrV（PG4钢轨）［5-6］，热轧态，炉号P21301052203B，共在线使用6 d，通过总质量702.4万t。

1.1 伤损钢轨宏观形貌观测

图1为伤损钢轨的宏观形貌。可以看出：断裂发生在轨端的轨腰中部偏上部位（距轨顶面约72 mm），沿钢轨纵向延伸至第一螺栓孔，长80 mm，且裂纹已贯穿轨腰的内外表面；钢轨端面及轨腰表面锈蚀均较轻，端面有较完整的白色油漆标记（漆面上的黑色物质为污渍），端面无明显磕碰痕迹；钢轨端面与轨腰表面交界的棱角及螺栓孔棱角均已进行倒棱，无毛刺。

图1 轨腰裂纹钢轨宏观形貌

为确定钢轨轨端与夹板的匹配情况，观察轨端的轨腰与夹板的接触区域，并测量轨腰尺寸。非工作边侧的轨腰与夹板的接触区域表面无明显的接触亮斑。而工作边侧，在轨头下颚圆角处存在一条自轨端向内的接触亮斑，相应地，在夹板与轨头下颚接触位置也存在接触亮斑，如图2所示。未发现夹板尺寸过大等接触异常现象。利用接头夹板安装面的正负量规分别对轨端的轨腰两侧进行测量。结果表明，满足TB/T 2344.1—2020《钢轨 第1部分：43 kg/m～75 kg/m钢轨》对轨腰形式的上下限要求。综上，该钢轨与夹板无接触不良等问题。

图2 伤损钢轨与夹板的工作边侧形貌

1.2 断口表面宏观及微观形貌观测

将轨腰裂纹打开，并采用无水乙醇进行清洗，清洗前后断口宏观形貌见图3。可以看出：裂纹萌生于钢轨端面，以线源方式向轨腰内部及轨腰表面扩展，有明显的沿钢轨纵向扩展的放射状棱线。根据形貌特征，断口可分为四个区域：裂纹源、快速扩展区、疲劳扩展区和瞬断区。近轨端的裂纹源大部分区域（距轨端50～66 mm）呈深褐色，锈蚀比较严重。清洗后断口呈脆性断裂特征，表面存在由裂纹源向内发散的辐射状线，而无疲劳条带等疲劳扩展痕迹，这表明裂纹萌生后在此区域内发生了快速扩展。断口上中间较窄的扇形区域（长5～18 mm）呈白亮色，具有金属光泽，断口表面平整且存在较明显的疲劳条纹，说明此区域为疲劳断口特征，裂纹在前期快速扩展至两区域边界后，开始向螺孔方向发生疲劳扩展，此区域应是在钢轨上线服役过程中产生的。靠近螺栓孔区域在清洗前呈浅褐色，断口表面也呈现明显的放射状条纹，为裂纹发生疲劳扩展之后的瞬断区。

图3 轨腰断口宏观形貌

对耦合断口上的裂纹源区和疲劳扩展区边界处进行扫描电镜观察，见图4和图5。从图4（a）可以看出，裂纹以线源方式从靠近棱角处的轨端面上萌生，线源长约3.3 mm，之后呈放射状向轨腰内部扩展。由于列车经过钢轨接头时轨端受到的冲击力较大，通过图4（b）较高倍的照片可看出断口表面碾压磨损较为严重，已无法看清具体形貌特征，但从断口上仍可确认裂纹源处无疲劳裂纹，整体呈脆性快速断裂特征。从图5可以看出有疲劳条纹特征，但表面碾压磨损比较严重，无法看清具体特征。

图5 疲劳扩展区断口扫描电镜下微观形貌

1.3 伤损部位金相组织检验

从轨底侧的耦合断口上分别取裂纹源和轨腰中线处的纵截面金相试样进行观察，结果见图6、图7。

图6 裂纹源纵截面的金相组织

图7 轨腰中线纵截面的金相组织

从图6可以看出：对于裂纹源纵截面，浸蚀前轨端边缘及基体内均无较大尺寸的夹杂物，在裂纹源下方的轨端面上存在一条平行于断口的表面裂纹；浸蚀后轨腰端面存在明显的塑性变形层，厚度为30～60μm。边缘存在白亮色的马氏体组织，且在整个试样轨端面上都存在断断续续的马氏体组织，最厚约15μm。钢轨的基体组织正常，为珠光体加少量铁素体。

从图7可以看出：对于轨腰中线纵截面，浸蚀前轨端边缘及基体内无较大尺寸的夹杂物；浸蚀后轨腰端面有塑性变形层和断续的马氏体组织，最厚约15μm。

1.4 伤损钢轨理化性能检验

1.4.1 化学成分检验

按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱分析方法（常规法）》，对伤损钢轨进行化学成分测定，并与TB/T 2344.1—2020的技术要求进行对比，见表1。可知，该钢轨的化学成分满足TB/T 2344.1—2020对U78CrV钢的技术要求。

表1 伤损钢轨化学成分（质量分数） %

1.4 .2拉伸性能检验

根据TB/T 2344.1—2020，在轨端一侧及远轨端无螺栓孔一侧的轨头分别取样，见图8。对试样进行拉伸性能测试，并与TB/T 2344.1—2020的技术要求进行对比，结果见表2。可知，伤损钢轨拉伸性能满足TB/T 2344.1—2020的技术要求。

图8 钢轨全断面硬度测点位置示意

表2 伤损钢轨的拉伸性能测试结果

1.4.3 全断面洛氏硬度检验

根据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验第1部分：试验方法》，在伤损钢轨上截取全横断面试样进行洛氏硬度检测，观察是否存在较大的波动点。检测结果表明，伤损轨的轨腰和轨底的硬度较为稳定，且在裂纹源位置并无较大的硬度波动点。

2 伤损原因

2.1 轨端裂纹产生的原因

组织特征及理化检验结果显示，伤损钢轨轨腰端面存在厚度为30～60μm的塑性变形层及断断续续的马氏体组织，马氏体层最厚约15μm。其基体组织为珠光体和少量铁素体，轨端边缘及基体内均未发现较大尺寸的夹杂物。伤损钢轨的化学成分、金相组织和拉伸性能均满足TB/T 2344.1—2020对U78CrV钢的技术要求，轨腰横断面硬度无明显的波动点。同时钢轨端面与轨腰表面交界的棱角已进行倒棱，轨端裂纹处无磕碰等外伤痕迹，且钢轨夹板安装面与夹板的接触斑正常，无匹配不当问题。

因此，钢轨轨端萌生裂纹的主要原因是轨端面存在较多的马氏体。由于马氏体脆硬的性质，在所受应力较大及应力集中条件下极易开裂，从而萌生裂纹。

2.2 轨端裂纹快速发展的原因

自轨端马氏体处萌生裂纹后，断口首先呈现出布满辐射状线的脆性断裂特征，这表明该裂纹扩展过程是一次快速产生的。

伤损钢轨表面及轨腰断口形貌表明，裂纹以线源方式起源于轨端面的轨腰部位；之后向轨腰内部及轨腰表面发生纵向快速扩展，形成长50～66 mm的快速扩展断口，而后列车经过产生的反复动弯应力使裂纹发生疲劳扩展，形成长5～18 mm的疲劳断口；最后发生直至第一螺栓孔处的瞬间断裂。线路状态不良，如接头养护不良、接头病害整治不及时、胶接绝缘接头作业质量不佳、道床弹性不好等，都会加大列车通过时的反复动弯应力，从而大大加快轨端裂纹的发展。

3 维修养护措施

1）对短轨接头端面进行处理

采用钢轨端面打磨机或液压钢轨端铣机对锯轨后的钢轨接头端面进行打磨或者端铣处理，消除因锯片摩擦产生的马氏体组织。

2）应用焊轨车对短轨接头进行焊复

充分利用大型焊轨车对所有短轨接头及时焊复，最大程度上减少重载列车对钢轨接头的冲击力，从根源上减少轨端与螺孔裂纹伤损。

3）加强接头区域养护

加强对接头区域的养护，轨缝始终保持在规定范围之内；定期对接头夹板和螺栓进行涂油，缓减列车的冲击和破坏；2万吨主要进路道岔安装整体式轨距杆，提高道岔整体横向刚度，减小2万吨列车侧向通过时对道岔的横向作用力。

4）综合整治接头病害

加大对接头部位道床的整治力度，防止接头空吊、道床板结；定期对轨面进行整修，及时打磨接头轨端不均匀磨耗、剥落掉块和肥边。

5）严格控制钢轨胶接绝缘接头作业质量

现场胶接绝缘接头严格按照TB/T 2975—2018《钢轨胶接绝缘接头》标准工艺流程操作，钢轨轨端、螺栓孔、钢轨胶接面应打磨光滑、无毛刺，胶接范围内钢轨轨腰上的生产厂标等应打磨平整。

6）通过大中型养路机械作业，恢复道床弹性

将长度不超过50 m的岔间线路纳入道岔机筛范围内，充分利用大中型养路机械解决岔区道床脏污板结、翻浆冒泥等问题；有效恢复道床弹性，改善轮轨力学结构关系，减缓道岔钢轨压溃、掉块等伤损发展，延长轨件使用寿命。

4 结语

本文通过对朔黄铁路轨腰裂纹伤损钢轨进行检测试验，明确了钢轨伤损类型为起源于钢轨端面的轨腰水平裂纹，钢轨端面存在马氏体组织是轨腰水平裂纹产生的主要原因。因此，应对短轨接头端面进行打磨或者端铣处理，对短轨接头进行焊复，加强接头区域养护，综合整治接头病害，严格控制钢轨胶接绝缘接头作业质量，利用大中型养路机械作业恢复道床弹性，从根本上避免钢轨轨端裂纹的产生。